Introduction aux Neuro-Sciences Cognitives Fonctions affectives et intellectuelles B Millet

1. Introduction aux Neuro-SciencesCognitives Fonctions affectives et intellectuellesB Millet 04 04 2012

2. Plan: • Neurosciences, neurosciences cognitives, de la démarche philosophique à l’approche scientifique… • Approche scientifique …approche expérimentale • Au sein des neurosciences cognitives …comment le cerveau pense et éprouve : la psychologie cognitive • Les outils contemporains des neurosciences et… • L’histoire des neurosciences … quelques étapes • Entrer dans la complexité: décliner les différents étages des fonctions émotionnelles et cognitives moléculaire, cellulaire,macroscopique,, individuel, pathologique, social • Ex1 : fonction cognitive : la mémoire • Ex 2: fonction émotionnelle : la peur

3. Neurosciences: sciences en charge de la connaissance du fonctionnement du système nerveux responsable de la commande motrice, du développement des affects et des fonctions intellectuelles

4. Neurosciences: neuroanatomie, neuro et psycho physiologie, neuropathologie, neuroimagerie, neuropharmacologie, sciences comportementales, neurobiologie cellulaire et moléculaire Médecine clinique: neurologie, psychiatrie, neurochirurgie Les neurosciences cognitives sont récentes: elles contribuent à la réflexion de l’homme sur lui même, sur l’origine de ses pensées, sur le sens de son existence, sur l’interaction de son cerveau avec son environnement.

5. Les neurosciences cognitives • La psychologie • cognitive • Les • neurosciences Analyse ducomportement humain et du fonctionnement du psychisme Aspects neurobiologiques , neuro-anatomiques sous-tendant le fonctionnement du système nerveux • L’intelligence • artificielle • La philosophie Etude rationnelle de la pensée humaine Etude de l’intelligence des machines comparée à celle de l’homme

6. Pendant longtemps, la réflexion sur notre fonctionnement psychique (comment nous réfléchissons, nous éprouvons des émotions…) a reposé sur une démarche introspective (Descartes 1637 « Le discours de la méthode » je pense donc je suis…) Les neurosciences cognitives introduisent la démarche scientifique dans la compréhension du fonctionnement du cerveau

7. La démarche scientifique reposant sur l’expérimentation: base de « l’evidence based medicine » • Observer, faire une hypothèse: le rationnel de l’étude • Expérimenter: mise en place de la procédure expérimentale (critères d’inclusion, outils, statistiques…) • Extraire les résultats avec analyse des données brutes • Interpréter les résultats, • Vérifier et comparer les résultats: discussion • Reproduire l’expérience (définir le niveau de preuve)

8. Ex: Existe-t-il une altération de la reconnaissance des émotions dans la dépression ? • Contexte : dépression 6% de la population (prévalence) • Hypothèse : Existence d’un trouble de la reconnaissance des émotions communiquées par la voix au cours de la dépression • Expérimentation: • étude comparative d’un groupe de sujets déprimés avec un groupe de sujets sains contrôles appariés en sexe et en âge • Instruments utilisés: échelle de dépression, échelle de démence • Test de prosodie ( caractéristiques acoustiques influençant l’intonation et la production vocale) émotionnelle • Résultats : les sujets déprimés reconnaissent moins bien globalement les stimuli chargés émotionnellement que les sujets contrôles sur le plan auditif • Interprétation: réseaux cérébraux impliqués dans le domaine de la reconnaissance des émotions et altération dans la dépression • Vérification et réplication manquent Peron…Millet 2011

9. Major depressive disorder skews the recognition of emotional prosody Péron J, El Tamer S, Grandjean D, Leray E, Travers D, Drapier D, Vérin M, Millet B. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2011 Feb 3 Publications dans des journaux internationaux Classement en fonction du niveau de notoriété des journaux Impact factor : indice de citation

10. Les neurosciences cognitives doivent permettre de répondre à la question : Comment le cerveau nous permet-il de: voir, penser, juger, résoudre des problèmes, éprouver des sentiments et des émotions, et nous reconnaître nous-mêmes, et de reconnaître les autres, nous souvenir et nous projeter dans le futur ? En médecine, elles doivent nous permettre de comparer le fonctionnement psychique normal par rapport au fonctionnement pathologique Puis de comprendre les pathologies.

11. La psychologie cognitive Sous-discipline de la psychologie qui se focalise sur la cognition (processus de pensée) La cognition : faculté mobilisée dans de nombreuses activités telles que : La perception (des objets, des formes, des couleurs…) Les sensations (gustatives, olfactives, tactiles…) Les émotions (tristesse, joie, colère, surprise, peur, dégôut) Les humeurs : euthymie, dépression, manie (excitation psychique) La mémorisation et le rappel des informations La résolution de problèmes; Le raisonnement; La prise de décision et le jugement; La compréhension et la production du langage Les actions;

12. Homme (Cerveau antérieur) Coordination des processus comportementaux et mentaux complexes Evolution des espèces Phylogenèse Mammifères Protomammifères (Cerveau moyen) Contrôle des fonctions de base Reptiles (Cerveau Posterieur)

13. Modèle neuronal de régulation émotionnelle D’après Philips M 2008

14. Ces champs d’investigation du comportement et de la pensée peuvent être explorés par la neuro-imagerie • L’imagerie cérébrale: • Structurale: Scanner X, IRM: elles permettent de visualiser les structures cérébrales: ventricules , cortex cérébral, structures sous corticales, substance blanche, substance grise L’Imagerie Fonctionnelle: TEP, IRMf. - Permet d’évaluer la fonctionnalité des structures cérébrales : l’activité du métabolisme du glucose dans le cerveau, de l’oxygène, de l’eau

15. PET : • Tomographie par émission de positrons • Injection dans la circulation sanguine • de solutions contenant des molécules • marquées radioactivement, qui vont au • Contact des molécules présentes dans • le cerveau émettre des positrons détectés par des capteurs autour de la tête de la personne • Exemples: Marqueur du Sang cérébral : eau avec 15O • Glucose : 18Fluor deoxy glucose

16. Les Neurosciences cognitives aujourd’hui: ce sont aussi des outils thérapeutiques Stimulation cérébrale profonde Stimulation Magnétique Trans-cranienne Utilité : Soins et compréhension des mécanismes d’action

17. Per-operative electrophysiology 69% improved OCD symptomatology >25% 88% improved global functioning >25%

19. Possibilité d’enregistrer les signaux électrophysiologiques produits par des groupes de neurones avant et après stimulation cérébrale Level 3 Level 2 Level 1

20. Applications techniques de la stimulation cérébrale profonde: developpement de stimulateurs intelligents • Electrodes permettant des enregistrements des signaux électriques issus des neurones et pouvant en réponse moduler la stimulation en fonction des signaux biologiques cérébraux

21. Approches invasives expérimentales dans le respect de règles éthiques strictes +++ • Approche pluridisciplinaire et collégiale • Information du patient • Comité de protection des personnes (CPP) • Comité National Consultatif d’Ethique • Obtention d’un consentement • Écrit • Et librement consenti • …Disposant de toutes ses facultés de compréhension

22. Les neurosciences aujourd’hui Différents nivaux d’analyse: moléculaire, cellulaire, cognitif, comportemental Différents acteurs: Psychologue cognitiviste , Informaticien, neurobiologiste, neuroanatomiste, neurophysiologiste, psychophysicien, philosophe, sociologue, . Au niveau médical clinique: Psychiatre,neurologue, neurochirurgien, neuropharmacologue,

23. Développement de la Neuropsychologie (étude des perturbations cognitives et émotionnelles provoquées par des lésions du cerveau) Paul Broca(neurologue français) (1861) • Fondateur de l’école d’Anthropologie (étude de l’homme) • Décrit le cas d ’un patient qui comprend ce qu ’on lui dit mais ne peut pas parler A l’autopsie : lésion de la partie postéro-inférieure du lobe frontal gauche. Zone de la motricité du langage.

24. Karl Wernicke (1874) (neuropsychiatre allemand) Décrit un patient qui peut parler librement, mais ne peut comprendre ni le langage parlé, ni le langage écrit. A l’autopsie lésion de la partie Temporale gauche: zone de la Compréhension du langage

25. Hanna et Antonio Damasio (1994) • Cas de Phineas Gage: Contre-maître, ouvrier modèle, travaillant sur la construction d’une ligne de chemin de fer dans le Vermont: Accident avec traumatisme cranien provoqué par une barre de fer (1848) • Dr. Harlow (1868): « Recovery from the passage of an iron bar through the head » • Apparence normale mais changement total de comportement : incorrect, grossier avec ses collègues, irritable, querelleur…psychopathe • 100 ans après reconstruction de l’évaluation de la lésion par neuro-imagerie …atteinte du Cortex Pre Frontal Comparaison en psychiatrie: personnalité psychopathique: carence affective et éducative

26. Delay et Deniker (1954) Essai de la chlorpromazine à Sainte Anne: premier neuroleptique médicaments à effet neurobiologique, utilisés entre autres dans le traitement de certaines affections du système nerveux central — les psychoses telle que la schizophrénie et certains autres syndromes comportant des hallucinations, du délire et de l'agitation psychomotrice —, production d’un détachement psychologique,… la chlorpromazine était aussi efficace sur les patients schizophrènes[ P Deniker

27. Hippocampe imprégné par la méthode de coloration de Golgi Camillo Golgi 1873 (corps de la cellule neuronale) Méthode decoloration (tissu cérébral dans une solution de chrome argenté) montrant le corps de la cellule neuronale. Ramon y Cajal (1859) Montre que les neurones sont en contact les uns avec les autres mais pas en continuité

28. (neuro-psychiatre allemand) Korbinian Brodmann (1910) Montre que des aires différenciées sur le plan cellulaire (histologique) jouent des rôles différents sur le plan fonctionnel: aires auditives, aires de la motivation, aires de la compréhension etc…

29. Les neurosciences cognitives permettent de franchir les frontières entre des modèles simples (unicellulaires , paucicellulaires…) • Et des modèles cérébraux plus intégrées

30. Circuits Circuits Associatif Associatif Associatif Moteur Moteur Moteur Limbique Limbique Limbique Cortex Cortex AMS AMS AMS AOM AOM AOM Cx PFDL Cx PFDL Cx PFDL Cx OFL Cx OFL Cx OFL Cx Cing Ant Cx Cin Striatum Striatum Put Put Put Caud Caud Caud Caud Caud Caud Caud Caud Caud SV SV SV Gpi Gpi Gpi Gpi Gpi Gpi Gpi Pv Pv Pv Gpi Gpi Gpi Gpi Gpi GP/SNpr GP/SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr SNpr VA VA VA VA VA VA VA VA VA Thalamus Thalamus VL VL VL DM DM DM DM DM DM DM DM DM DM DM DM Les circuits cortico-sous-corticaux Alexander 1986

31. Les connections du système limbique (régions CCA et COF) d ’après Tekin et Cummings J Psychosom Res 53 (2002) 647-654. V1 V4 V2 TEO Inf.-temporal (TE) Amygdale Striatum Noyau Caudé Putamen Accumbens (St. ventral) GPe GPi Thalamus NST Dopamine SNc SNr

32. CIRCUITS IMPLIQUES DANS LES TROUBLES AFFECTIFS STRUCTURES SOUS-CORTICALES Diencéphaliques (amygdale, Noyaux gris centraux…. Role d’émergence des émotions amygdale Substance noire Pallidum interne STRUCTURES CORTICALES PREFRONTALES (CPF) CPFDM Aires ventromédiales (COF, CCA, CPFVM): développées précocément impliquées dans le contrôle des fonctions émotionnelles Aires ventrolatérales et dorsolatérales: (CPFVL et CPFDL) Impliquées dans les fonctions intellectuelles (mémoire de travail, attention, concentration) Et rôle de contrôle des émotions CCA CPFDL CPFVM CPFVL COF

33. Un des objectifs des neuro-sciences cognitives: décliner les différents étages des fonctions émotionnelles et cognitives • Niveau moléculaire: neurobiologie • Niveau cellulaire: neurophysiologie • Niveau macroscopique: neuroanatomie structurale et fonctionnelle • Niveau pathologique: neuro-psychiatrie • Niveau individuel: psychologie; • Niveau Social : comportement de l ’espèce

34. Exemple d’une fonction intellectuelle LA MEMOIRE « Vous devez commencer par perdre votre mémoire, ne serait-ce que par petits bouts, pour comprendre Qu’elle est ce qui constitue votre vie…Notre mémoire est notre cohérence, notre raison, nos sentiments, même nos actions. Sans elle, nous ne sommes rien … » Ensemble de systèmes cognitifs qui permettent le codage, le stockage et la récupération de l ’information • Deux grands types de mémoire: • Mémoire à court terme : mémoire de travail (concentration, switch, plusieurs tâches à la fois): siège CPF Dorso latéral • Mémoire long terme: mémoire épisodique, celle des souvenirs

35. Niveau moléculaire de la mémoire • Neurotransmetteurs: acetylcholine, Glutamate POTENTIALISATION À LONG TERME • mécanisme permettant le renforcement durable des synapses entre deux neurones qui sont activés simultanément.

36. Niveau cellulaire de la mémoire sensible à l’environnemment Cellules granulaires du gyrus denté de l’hippocampe Neurone hippocampique de rat avant (A) et après (B) 3 semaines de stress répétés

37. Niveau cérébral de la mémoire épisodiqueneuroanatomie Perte de mémoire : Altération de l’hippocampe Et du noyau de Meynert Hippocampe Noyau de Meynert

38. Niveaux psychologiques cognitifs:processus psychiques contribuant à la transmission de l ’information 3 phénomènes: L ’Acquisition: processus d ’encodage et d ’enregistrement des informations en mémoire La Rétention:correspond à un stockage à plus ou moins long terme des informations Mémoire long terme La Restitution ou récupération: rémémorisation ou souvenir mais aussi à l ’inverse à l ’oubli

39. Mémoire à court terme ou mémoire de travail: capacité limitée de stockage et oubli • Fonction spécifique permettant de combiner des informations provenant d ’autres modules: processeur central • activation de différents modules spécialisés (visuel ou sémantique) • Siège : Cortex Prefrontal dorsolatéral • capacité limitée : 7 le chiffre magique • capacité de mémorisation immédiate (7 ± 2) pour différentes informations sons, lettres, mots Système de capacité limitée destiné au maintien temporaire et à la réalisation de tâches cognitives diverses de compréhension, de raisonnement ou de résolution de problèmes Ex: calcul mental exigeant plusieurs calculs intermédiaires

40. Mémoire à long terme: Capacité immense et oubli progressif. • Ensemble des connaissances et des savoir faire que nous avons acquis de manière durable • Les souvenirs les plus variés sont stockés dans la mémoire à long terme: • ex: souvenirs d ’enfance, ce que l ’on sait sur la France, les tableaux de Van Gogh, des mélodies, des odeurs, des sensations tactiles, des mouvements , des saveurs Siège : l’Hippocampe en lien avec le Cortex Frontal

41. - Mémoire procédurale : acquisition deshabiletés perceptivo-motrices et cognitives, et conditionnement. Système dont les opérations s ’expriment essentiellement sous la forme d ’actions (rôle important des ganglions de la base, du cervelet, cortex frontal moteur) Trois formes de mémoire à long terme • Mémoire épisodique: permet à un sujet de se souvenir du passé (comment enfant, j ’ai nourri un lapin, mon séjour à Dijon, mon premier baiser etc..) (lobes frontaux + hippocampe) • Mémoire sémantique rend possible l ’acquisition et la rétention des connaissances générales sur le monde (cortex cérébral) connaissance sur les faits ex: les lapins sont des mammifères, Dijon est la capitale de Bourgogne • Connaissances déclaratives Ganglions de la base

42. Fonctionnement de la mémoire • Entre la capture de l ’information sensorielle et le rappel des informations mémorisées, il y a transformation de l ’information: codage • Les informations sont d ’abord codées au niveau des système sensoriels (ex: rétine, thalamus, cortex occipital pour vision). Le temps pendant lequel ces informations sont traitées correspond à une « mémoire »: ce sont les mémoires ou modules sensorielles

43. Le code imagé est le plus puissant • La supériorité des images sur les mots (essor du cinéma, des bandes dessinées, de la télévision) • Toutes les représentations imagées sont mieux mémorisées que les mots • encore mieux mémorisées si séquences des étapes de l ’action • capacité de stockage à long terme • Récupération: Comme dans les ordinateurs, la récupération d ’une information nécessite qu ’elle soit retrouvé parmi des millions d ’informations: • Intérêt de l’ordre donné au stockage et à l’apprentissage, moyens mémotechniques, stratégies …

44. Le pendant de la mémoire: l ’oubli • destruction de l ’information ou bien impossibilité à retrouver une information spécifique • 3 étapes - encodage : transformation d ’une information en une représentation qui a un sens ou une valeur - consolidation: stockage dans le cerveau : hippocampe - récupération : activation des bons réseaux pour retrouver l ’information

45. Evaluation de la mémoire Test de Gröber et Buschke: liste répété à trois reprises (16 mots) (Rappel libre; rappel indicé) puis nouvel exercice à 20 minutes d ’intervalle 5 épreuves: 1. Encodage (liste de mots); 2 Rappel libre ; 3 Rappel indicé (catégories); 4 Reconnaissance (48 mots); 5 Rappel différé; - si trouble de l ’attention: amélioration des scores - si maladie d ’Alzheimer: perte des points

46. Evaluation de l’oubli: tâche de rappel différé d ’une liste de mots • 1. Mauvais enregistrement de la liste lié à un trouble de l ’attention • Pb d ’encodage: fatigue, stress, patients déprimés, effets secondaires des médicaments • Résolution: l ’indicage (catégorie du mot) permet la restitution • 2. Trouble de la mise en mémoire de la liste: pb de consolidation • mauvais score en rappel indicé et rappel libre. Absence de stockage • ex: maladie d ’Alzheimer • 3. Pas de bonnes stratégies de rechercheTroubles de la récupérationvieillissement normal ou certaines maladies comme maladie de Parkinson

47. Niveau psychologique d’étude de la mémoire

48. Niveau pathologique: étude des démences • réduction acquise des capacités mnésiques suffisamment importante pour retentir sur la vie de la personne et entraîner une perte d'autonomie. • Maladie d’Alzheimer • Démence Fronto-temporale • Démences infectieuses etc…

49. Ex: La mémoire: phénomène social • Les différentes catégories de mémoire sont étudiées depuis de nombreuses années : procédurale, sémantique, de travail etc. • Pourtant, les chercheurs ignoraient jusqu’alors l’existence cérébrale d’une forme de mémoire surprenante : la mémoire collective ! Le cerveau stocke les souvenirs des événements sociaux, essentiels à l’identité de chacun.

50. Exemple d’une émotion: la peur Réaction très intense face à une situations d ’alarme , d ’urgence ou - aspect neurophysiologique : boule dans la gorge, oppression, stupeur, envie de fuir - aspect subjectif : le sentiment d’appréhension